(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック用射出成形機において金属、合金及び金属基複合材料を加工するスクリュであって、
シャンクと、
前記シャンクから延在し、後部、中間部、及び前部を有するスクリュ軸であって、該スクリュ軸は、該スクリュ軸の長さ方向に沿って、均一な直径を有している、スクリュ軸と、
前記スクリュ軸の前記後部から延出し、前記プラスチック用射出成形機内で前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料を該スクリュ軸の前記中間部へ前進させるフライトであって、該フライトは、前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部には存在しない、フライトと、
を備え、
前記スクリュ軸の前記後部における前記フライトは、１：１の前記フライトの深さの圧縮比を有しており、該圧縮比は、前記プラスチック用射出成形機の供給区域に配置される前記スクリュ軸の前記後部から延在する前記フライトの深さの比に対応しており、
前記スクリュ軸は、前記プラスチック用射出成形機のバレル内で回転及び往復運動されるように構成及び配置されており、
前記スクリュ軸の前記中間部は、前記プラスチック用射出成形機の遷移区域に配置されており、
前記プラスチック用射出成形機の前記遷移区域において、前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料は加熱され、そして揺らいでいる粘度を有する半固体スラリーが形成され、前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部に前記フライトが存在しないことによって、前記揺らいでいる粘度が大きい際に、前記半固体スラリーに束縛されることなく、前記プラスチック用射出成形機の前記バレル内で、前記スクリュ軸を回転及び往復運動させることが可能になる、スクリュ。
【請求項２】
プラスチック用射出成形機において金属、合金及び金属基複合材料を加工するように構成されるプラスチック用射出成形機であって、該プラスチック用射出成形機は、
計量区域、遷移区域及び供給区域を有する温度制御されるバレルと、
成形するための材料を前記バレルの前記供給区域へ供給するように構成される供給口と、
前記バレルの前記計量区域から延在するノズルと、
スクリュと、
を備え、
前記スクリュは、
シャンクと、
前記シャンクから延在し、後部、中間部、及び前部を有するスクリュ軸であって、該スクリュ軸は、該スクリュ軸の長さ方向に沿って、均一な直径を有している、スクリュ軸と、
前記スクリュ軸の前記後部から延出し、前記プラスチック用射出成形機内の前記バレルを通して前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料を前記スクリュ軸の前記中間部、及び前記バレルの前記遷移区域へ前進させるフライトであって、該フライトは、前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部には存在しない、フライトと、
を有し、
前記プラスチック用射出成形機は、
前記スクリュの前記シャンクを駆動するモータと、
を備え、
前記スクリュ軸の前記後部における前記フライトは、１：１の前記フライトの深さの圧縮比を有しており、該圧縮比は、前記プラスチック用射出成形機の前記供給区域に配置される前記スクリュ軸の前記後部から延在する前記フライトの深さの比に対応しており、
前記スクリュ軸は、前記プラスチック用射出成形機の前記バレル内で回転及び往復運動されるように構成及び配置されており、
前記スクリュ軸の前記中間部は、前記プラスチック用射出成形機の前記遷移区域に配置されており、
前記プラスチック用射出成形機の前記遷移区域において、前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料は加熱され、そして揺らいでいる粘度を有する半固体スラリーが形成され、前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部に前記フライトが存在しないことによって、前記揺らいでいる粘度が大きい際に、前記半固体スラリーに束縛されることなく、前記プラスチック用射出成形機の前記バレル内で、前記スクリュ軸を回転及び往復運動させることが可能になる、プラスチック用射出成形機。
【請求項３】
プラスチック用射出成形機において金属、合金及び金属基複合材料を加工する方法であって、該方法は、
スクリュを有するプラスチック用射出成形機を設けるステップであって、前記プラスチック用射出成形機は、供給区域、遷移区域及び計量区域を有する加熱バレルを有する、プラスチック用射出成形機を設けるステップと、
前記スクリュを取り除くステップと、
前記スクリュを、前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料を加工するように構成及び配置される、改良されたスクリュと交換するステップと、
を含み、
前記改良されたスクリュは、
シャンクと、
前記シャンクから延在し、後部、中間部、及び前部を有するスクリュ軸であって、該スクリュ軸は、該スクリュ軸の長さ方向に沿って、均一な直径を有しており、該スクリュ軸は、前記後部、前記中間部及び前記前部がそれぞれ、前記供給区域、前記遷移区域及び前記計量区域に配置され、前記プラスチック用射出成形機の前記バレルと協働するように、構成及び配置される、スクリュ軸と、
前記スクリュ軸の前記後部から延出し、前記プラスチック用射出成形機内で前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料を該スクリュ軸の前記中間部へ前進させるフライトであって、該フライトは、前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部には存在せず、前記スクリュ軸の前記後部における前記フライトは、１：１の前記フライトの深さの圧縮比を有している、フライトと、
を備え、
前記圧縮比は、前記プラスチック用射出成形機の前記供給区域に配置される前記スクリュ軸の前記後部から延在する前記フライトの深さの比に対応しており、
前記方法は、
前記改良されたスクリュ及び前記プラスチック用射出成形機を用いて、前記金属、前記合金及び前記金属基複合材料を加工するステップを含む、方法。
【請求項４】
プラスチック用射出成形機のスクリュを改良する方法であって、前記プラスチック用射出成形機は、供給区域、遷移区域及び計量区域を有する加熱バレルを有し、該スクリュは、スクリュ軸が延在しているシャンクを有し、前記スクリュ軸は、後部、中間部、及び前部を有し、前記スクリュ軸は、該スクリュ軸の長さ方向に沿って、均一な直径を有し、前記スクリュ軸は、前記後部、前記中間部及び前記前部がそれぞれ、前記供給区域、前記遷移区域及び前記計量区域に配置され、前記プラスチック用射出成形機の前記バレルと協働するように、構成及び配置され、前記スクリュは該スクリュ軸から延出し、前記プラスチック用射出成形機内で金属、合金及び金属基複合材料を前進させるフライトを有し、前記方法は、
前記スクリュ軸の前記中間部及び前記前部から前記フライトを取り除くステップと、
１：１の前記フライトの深さの圧縮比を有する前記フライトを有する前記スクリュを選択するステップと、
を含み、
前記圧縮比は、前記プラスチック用射出成形機の前記供給区域に配置される前記スクリュ軸の前記後部から延在する前記フライトの深さの比に対応している、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には射出成形に関し、より詳細には、金属の加工に使用されるように構成される射出成形機のスクリュ設計、及び金属の加工に使用される射出成形機を構成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチックに使用される従来の往復式スクリュ射出成形装置によって金属を３次元ネットシェイプ(net shape)に加工することは、長い間多くの研究努力の目標であった。射出成形は、複雑な部品を製造するための低コストな加工技法であるが、様々な理由からプラスチックの成形に限定されていた。
【０００３】
世界には、極めて多くの設置ベースの射出成形装置がある。正確な数字を示すのは難しいが、今日においては百万台を超える射出成形機が商業利用されている可能性がある。一例として、中国国内のみで過去数年間において一年で平均およそ五万ユニットの射出成形機が配送されている。射出成形装置の耐用年数は限られているが、最低でも１０年は使用することができ、また多くの成形機は、特に適切に保守及び／又はアップグレード（例えば電子機器に対して）されれば、２０年以上動作する。
【０００４】
金属は一般的に、プラスチック加工用の従来の射出成形装置では加工することができないものとされている。これには２つの主な理由がある。第１に、商業的関心のある金属及びそれらの合金は一般的に（例外はあるが）、射出成形機の大部分が機能可能である最高温度（通常は４００℃（華氏約８００度））を著しく上回る溶融温度を有する。この最高温度は、全ての又はほとんど全ての有機ポリマーにとっては十分である。これは、全て４００℃（華氏約８００度）を上回る温度で分解（例えば酸化、炭化、化学的分解（decompose））し始める傾向にあるためである。
【０００５】
第２の問題は圧力である。溶融金属は、液相線温度を上回ると非常に低い粘度を有するが、急速に結晶化するため、射出成形装置内で結晶形成の強度を克服することが困難である。他方で、ポリマー（非晶質ポリマー、及びより少ない程度であるが半結晶ポリマー）は、粘度と温度との関係が広範である粘稠材料である。したがって、温度と圧力との組合せによって流れを制御することができる。たいていの金属とは異なり、ポリマーの粘度は、制御が困難であるような極めて低い値（例えば水のような）までは決して下がらない。
【０００６】
材料に有限の力が必要となる、すなわちこの力を下回ると動かなくなる、という要件は、従来の射出成形装置における加工実用性の重要な特性である。ポリマーは概ねこれらの基準を満たしている。金属は通常、それらの融点において遷移がよりはっきりとしている。例外としては、半固体金属（液相線温度と固相線温度との中間の温度において半溶融の金属）、及び結晶形成を遅らせる（retards or delays）組成を有する非晶質合金が挙げられる。
【０００７】
その結果、金属から３次元ネットシェイプ部品を製造するための一般的に例外的な方法としてダイカストがある。ダイカストでは、加工温度は液相線温度をはるかに上回り、溶融金属は、重力又は圧力支援によりキャビティを充填するように注ぎ込まれる。ダイカスト及び圧力支援ダイカストは加工方法とされており、世界には多数のダイカスト設備及び装置がある。ダイカストには、主にキャビティを充填している間に材料の流れを制御することが難しいことに基づくいくつかの不都合点がある。流れのレオロジー制御ができないこと（水のような粘度）によって金型充填に一貫性がなくなり、多くの場合空隙又は欠損が生じ、望ましくない表面仕上げ効果が生じ、且つ寸法制御が望ましいものではなくなる（収縮）。別の手法は、（液相線温度と固相線温度との間で）半固体状態にある金属に働きかけ、加工温度を効果的に下げることである。半固体を冷却することによって、「溶融物」の一部が既に固化しているため、収縮も少なくなる。この手法は、チクソモールディングと称される変更形の射出成形プロセスを使用してマグネシウム合金を成形する際に使用される。これらのいずれのプロセスの欠点のうちの１つは、市販の装置の可用性である。ダイカストは通常、必要なプロセス温度に達するのに鋳造工場のような環境を伴う。チクソモールディングは、急速な固化又は結晶成長を克服するのにいくらか低い温度を必要とするが、力、したがって非常に頑強で特殊化された装置を使用する。チクソモールディングされた部品はまた一般的に、重要な二次的要件（すなわち表面仕上げ補修、バリの除去）を有する。スクラップ、ランナ等の取り扱い及び再加工に関する重要な要件もある。
【０００８】
ニアネットシェイプ金属部品への第３の手段は、多くの場合、金属射出成形（metal injection molding：ＭＩＭ）又は粉末射出成形（powder injection molding：ＰＩＭ）と称される。この場合、プリフォーム又はグリーン部分（green part）を、粉末状金属及び有機又は高分子バインダを使用して従来の温度で射出成形する。バインダを除去し、還元環境(reducing environment)において高温で部品を焼結して部品を生成する。大部分の体積減少（収縮）は、この焼結工程と関連している。第４の手段は、より大きい形状又はインゴットから部品を機械加工して所望の寸法を生成することである。さらなる方法（例えば鍛造）によっていくつかの３次元形状を作り出すことはできるが、複雑な構造には適していない。
【０００９】
説明した４つのプロセスは全て商業的利用が成功している。しかし、これらには全て、より広範な実用性及び商業的重要性を制限する重要なコスト又は他の欠点がある。従来の射出成形装置を使用して合金を３次元ネットシェイプ部品に加工することが可能であれば望ましいことは確かであろう。
【発明の概要】
【００１０】
したがって、射出成形装置において金属を加工する方法が当業界内で必要とされている。
【００１１】
射出成形機の改良スクリュは、射出成形機内で金属を加工するのに使用することができるスクリュ軸を設けることによって従来技術の問題を解決する。スクリュは、スクリュ軸が延在しているシャンクを有する。スクリュ軸は、前部、中間部及び後部を含む。スクリュ軸はまた、材料を射出成形機内で前進させるのに使用される複数のフライトを含む。好ましい実施の形態では、スクリュ軸のフライトは、スクリュ軸の後部にのみ延出する。代替的な実施の形態では、フライトはスクリュ軸の前部にも含まれていてもよい。
【００１２】
新規スクリュを製造する代わりに、本発明の改良スクリュは、スクリュ軸の中間部及び／又は前部にあるフライトを選択的に取り除くことによって、従来のプラスチック用射出成形スクリュから作製することができる。
【００１３】
伝統的にプラスチックを加工するのに使用されている従来の射出成形機において、そのスクリュを使用して、金属を加工することができる。
【００１４】
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面を参照してより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のスクリュ設計の好ましい実施形態の平面図である。
【図２】本発明のスクリュ設計の好ましい実施形態を組み込む従来のプラスチック用射出成形機の部分断面図である。
【図３】本発明のスクリュ設計の代替的な実施形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ここで図１を参照すると、本発明の射出成形機のスクリュが全体的に１０で開示されている。スクリュは、スクリュ軸１４が延在しているシャンク１２を有する。スクリュ軸１４は、前部１６、中間部１８及び後部２０を含む。スクリュ軸１４は、材料を射出成形機内で前進させるのに使用される複数のフライト２２も含む。好ましい実施形態では、スクリュ軸１４のフライト２２は、スクリュ軸１４の後部２０にのみ延出する。図３において最も良く分かるように、代替的な実施形態１００では、フライト２２はスクリュ軸１４の前部１６にも含まれていてもよい。しかしながら、フライト２２は、スクリュ軸１４の中間部１８からは除外されなければならない（すなわち含まれてはならない）。
【００１７】
ここで図２を参照すると、本発明のスクリュ１０を有して構成されるプラスチック用射出成形機を全体的に２４で示す。射出成形機２４は、以下でさらに説明する３つの区域、すなわち供給区域、遷移区域及び計量区域に大まかに分けられるバレルセクション(barrel section)２６を含む。スクリュ１０は、モータ２８によってバレル内で回転し押し進められる（plunge）。材料Ｋは、ホッパ３０及び供給口３２を通ってバレル２６の供給区域内へ供給される。バレル２６の計量区域には、金型キャビティ４０及びスプルー４２を有する金型３８を有する金型プレス３６に接続されているノズル３４がある。スプルー４２及び金型キャビティ４０はノズル３４と流体連通している。バレル２６内の温度は、ヒータ４４によって部分的に制御される。
【００１８】
本発明のスクリュ１０は、プラスチック加工用の従来の射出成形装置を使用して、広範な金属及びそれらの合金並びに複合材料(composite)を３次元ネットシェイプ部品に加工することを可能にする。従来の射出成形装置は、温度限界（例えば高温鋼等）に基づいて全ての金属及びそれらの合金を加工することができるものとは期待されていないであろうが、様々な商業的関心のある合金及びそれらの複合材料は、世界中に設置されている射出成形機を使用して加工することができれば、より広範な実用性が見出されるものと予見されている。
【００１９】
従来の成形装置では、３つの主な問題（すなわち温度容量（capacity）、機械的容量、粘度特性）によって、金属、合金及びそれらの複合材料を加工する際の重要な制限が課されている。これらは、１）粘度制御、２）機械温度及び３）成形機の構造である。
【００２０】
粘度に関する考慮事項は、大部分の金属及び合金が、それらの固相線温度、特にそれらの液相線温度を上回ると非常に低い粘度を有するという特性に基づく。射出成形プロセスにおける射出プロセス及び金型キャビティの充填の両方において、非常に粘度が低い流体の流れを制御することは困難である。温度に応じてプラスチック流の高粘性溶融物を作り出すことは、以前の開示において対処されている。
【００２１】
第２の問題は温度であるが、これは、多くの有用な金属及びそれらの合金が、従来の射出成形装置の標準的な温度範囲を上回る溶融温度を有するためである。通常の温度範囲は１００℃乃至４００℃（華氏約２００度乃至８００度）であるが、これは、この温度範囲がほとんど全ての有機ポリマーに対応し、一般的に、４００℃（華氏約８００度）を上回る温度がポリマーを含むいかなる有機化合物も分解させる傾向にあるためである。単純に必要性がないこと、及びより高い温度にするためにはさらなるコストが必要であることに起因して、市販の射出成形装置において通常利用可能である温度範囲はこの値よりも低い。それにもかかわらず、標準的な射出成形装置の多くがかなり高い温度（例えば最高６７５℃（華氏約１２５０度））で動作することができるようにする、理にかなった単純な改良点がある。入熱は上昇させる必要があるが、これは単純に、より高い温度及びより高い定格出力を有するヒータバンド（heater bands）を使用することによって達成される。成形機の構成は通常、極めて高い温度容量（通常は本開示において関心のある範囲をはるかに上回る、すなわち最高６７５℃（華氏約１２５０度）又は純粋なアルミニウムのほぼ融点)を有する特定の鋼種である。他の成形機に関する考慮事項、例えば、溶融プロセス温度が高いことに起因して通常よりも高い温度に曝されるシール及び付属の構成要素も考慮し、より頻繁に交換するか、又は高温構成材料を代わりに用いる必要がある。それにもかかわらず、従来の射出成形装置をかなり高い温度で運転させるのにはほとんど障害がない。
【００２２】
第３の、最も重要な考慮事項は、従来の射出成形装置の機械的容量である。これまで、従来の射出成形装置において金属、それらの合金及びそれらの複合材料を加工しようと試みられているが、成功していなかった。この試みは、バレルのクラック、スクリュの折れ、モータの損傷、及び／又は高温溶融金属の漏れ／噴出を含む、到底受け入れることのできない事象に終わっている。これらの事象は主に、成形機が固体金属（又は固化しつつある金属、すなわち結晶形成）の強度を克服することができないことに起因している。成形機のモータ及び／又は構成する材料は通常、金属の強度、剛性及び硬度を克服するのに十分な容量を有せず、したがって最初に破損する（例えばバレルのクラック）。
【００２３】
これらの現象を克服しようと試みる良い例は、マグネシウム合金のチクソモールディングプロセスと呼ばれるプロセスにおいて見られる。この特殊化された装置では、チクソモールド機は同様のトン数（すなわち型締力）である従来の射出成形装置と比較してサイズがかなり大きい。チクソモールド機は、単純に、マグネシウム合金を加工するのに必要なさらなるトルク及び機械強度設計に一部起因して、同様の型締力を有する従来の射出成形機のサイズよりも５０％大きいように思われる。チクソモールド機は、マグネシウム合金（及びたいていの金属）において、冷却されるか又は液相線温度と固相線温度との間の温度に保たれると形成される、（樹枝状(dendritic)）結晶子／結晶を機械的に粉砕／破壊するように設計されている。半固体媒質中で流動することができるように結晶を機械的に粉砕／破壊することは、チクソモールディングプロセス又はチクソモールド機の設計目標である。この理由及び他の理由（例えば高温マグネシウムの可燃性）から、特殊化されたより高価な装置が必要である。チクソモールディングプロセスは、(材料が凝固してしまう前に）迅速に射出することも試みており、多くの場合、工具のキャビティに取り込まれた空気の作用（すなわち冷却作用及び空気抜きするために必要な時間）を低減するために真空工具を使用する。
【００２４】
異なる手法、及び本発明の主題となる手法は、射出成形装置２４が、部分的に固化しているか又は部分的に結晶化している材料Ｋに大きい力（すなわち高圧）を加えることを回避することである。
【００２５】
この問題（成形機及び／又はその構成要素の強度限界を克服する強固な非圧縮性金属にかかる高い機械負荷）は、標準的な従来の射出成形装置２４が往復式であることによって生じる。現在はプラスチック加工のために製造されているほとんど全ての射出成形装置２４は往復式スクリュ設計である。旧式の成形機２４の多くが、材料がスクリュによってプランジャ前の区域に供給されるプランジャ設計であった。往復式スクリュ設計は、溶融物の温度が不均一であること、及び高温での滞留時間が非常に長いことを含む、プランジャ設計の複数の不都合点を克服した。これらの特性は、不均一な温度によって流れ及び部品の完全性にばらつきが生じ、且つ高温に長時間滞留することはポリマー／プラスチックの分解の一因となるため、プラスチックにとっては特に良くないものである。
【００２６】
往復式スクリュ射出成形機２４内には、（バレル２６に沿う）スクリュに沿った温度プロファイルがある。スクリュ／バレル２６の長さは、それらの機能に基づいて３つのセクションに概ね分離することができる。これらは供給セクション、遷移セクション及び計量セクションである。
【００２７】
供給セクション（通常は長さの約５０％）は、固体ペレット材料Ｋを遷移セクションに運び、これらの材料を溶融温度未満の温度まで加熱し、より密にまとめられた構造に圧縮する（すなわちペレット間の空気及び空間を排除する）ことを意図する。遷移区域は、機械的せん断及びバレル２６の壁部からの伝導加熱によってペレット／材料Ｋを溶融し、さらに空気を排除して溶融物の密度を理論値まで高くすることを意図する。計量セクションでは、溶融物に均一な温度を与え、スクリュ先端の前方へ正確な量の材料を送達し、金型キャビティ内に射出することを試みる。
【００２８】
通常のスクリュ設計は、各セクションの機能を達成するのを助けるために、各セクションにおいていくらか異なる。
【００２９】
本発明のスクリュ１０は、従来の往復式スクリュ射出成形装置において金属、合金及び金属基複合材料(metal matrix composite)を加工するのに有利である射出成形スクリュ設計を記載している。
【００３０】
好ましくは、スクリュ１０のフライト２２は、１：１の圧縮比、又は場合によっては（conceivably）１：１未満の圧縮比を有する。たいていのポリマー及び強化ポリマー／プラスチックに通常推奨される圧縮比（供給フライト深さ／計量フライト深さ）は２：１乃至３：１である。この圧縮比は通常、直線深さの比であるが、より厳密な意味では体積比（計量セクションのフライトと供給セクションのフライトとの効果的な体積比）としても表され得る。スクリュ１０に沿って圧縮する主な目的は、ポリマーペレットを溶融、ブレンド(blend)及び混合するのに役立つ機械的な力（せん断）を生み出すことである。プラスチック用射出成形では、せん断エネルギーは、ポリマーへの入熱のおよそ半分の割合を占める（もう一方の半分は加熱されているバレルからの伝熱によるものである）。ポリマーは通常熱エネルギーをあまり伝導しないため（例えば熱伝導率はおよそ０．２Ｗ／ｍＫ）、バレルからの伝導加熱は合理的に効率的であるとはいえない。スクリュ１０は、未加工の材料Ｋを加熱するためにバレル２６の壁部まで絶えず運び、その後この材料を壁から拭い取って残りのより冷たい材料Ｋと混ぜ合わせるが、固有の熱伝導率が低いことによって、バレル２６による加熱の効率性が依然としてさらに制限される。反対に、金属、合金及び金属基複合材料の場合、固体金属の熱伝導率及び溶融物の熱伝導率は相当なものである。典型的な合金の熱伝導率は、典型的なポリマーの熱伝導率の少なくとも２５０倍である。したがって、バレル２６からの伝導加熱の効率性は、材料Ｋがスクリュ１０に沿って一時的にしか滞留しない性質である（滞留時間が限られている）ことを仮定するとより効率的である。伝導加熱の効率性を改善することによって、均質且つ均一な温度溶融（すなわち、ペレットＫが不完全に溶融していることがなく、且つ非均一な粘度又は流動特性のない溶融物）をもたらすのに必要なせん断加熱が劇的に減る。したがって、機械的作用をもたらすための圧縮の必要性及び結果として生じるせん断加熱は必要ではない。この要件がなければ、１：１の圧縮比又は潜在的には１未満である圧縮比を有するスクリュ１０が満足のいくものとなり、望ましく、且つ必要である。
【００３１】
標準的なスクリュの圧縮比２：１乃至３：１は、従来の射出成形装置において金属、合金又はそれらの複合材料を加工しようと試みる場合には負の影響を与える。固体形態及び溶融形態の金属は、圧縮することが非常に困難な上、強固、剛性且つ硬質である。固化しているか又は部分的に固化している金属の強度も非常に高い。したがって、（回転するスクリュ１０の作用によって）高強度、高剛性、高硬質であるか又は圧縮することが非常に困難な材料を圧縮するか又は移動させるように試みる成形機２４の力は、成形機２４又はその構成要素（例えばモータ２８、バレル２６等）を故障させる可能性がある。
【００３２】
ポリマーにスクリュ圧縮を用いるさらなる理由は、部分的に溶融しているか又は溶融しているペレットを一緒に混合して均質且つ均一な材料を生成するためである。たいていのプラスチックの粘度は、溶融していても大きな影響を与えるものであり、さらなる機械的作用なしでは均質化することを困難にするほど十分に高い。この粘度が射出成形においては非常に有用である。粘度は温度に応じて、圧力又は力に依存して運ぶことを可能にする。大きな影響を与える粘度はまた、溶融温度以上であっても、溶融ポリマーが、或る有限圧力を上回る作用力(active force)を受けずに流れに抵抗することを可能にする（例えば溶融ポリマーは圧力が印加されなければノズル３４から流出しない）。ポリマー溶融物の有限粘度も、金型キャビティ４０を適切に充填する際に有利である。成形部品の最適な機械的特性及び物理的特性を達成するために制御流（例えば噴水流、層流）が望ましく、大きな影響を与える粘度がこれを可能にする。層流から（望ましくない）乱流への遷移は、流体粘度に応じて変わる。同時に、大きな影響を与える粘度がいくつかの負の要因を作り出す可能性がある。例えば、ウェルドラインを有する部品において、ウェルドラインの強度は多くの場合、溶融物の流頭の粘度に影響を受け、この粘度によって、ポリマーがさらなる機械的作用（例えばせん断）を用いることなくウェルドラインにおいて均質に混合することができるがどうかが決まる。非晶質ポリマーの混合及び均質化は、非晶質ポリマーの粘度が広い温度範囲にわたって温度に応じて変わり、非晶質ポリマーの溶融粘度は通常、高温でも半結晶ポリマーの溶融粘度よりも高いため、多くの場合最も困難である。半結晶ポリマーの混合及び均質化は、結晶溶融温度前後の非線形粘度遷移によって助けられる。しかしながら、結晶溶融温度未満での急速な固化及び粘度上昇は、ウェルドライン強度の問題を引き起こし、金型を充填することをより困難にする可能性がある。これらの場合、材料は、均質化する前に凝固する（固化する）（ウェルドラインが生じる）か又は金型キャビティ４０の充填前に凝固する（固化する）可能性がある。
【００３３】
溶融しているか又は部分的に溶融している金属、合金又は金属基複合材料は通常、溶融非晶質又は半結晶の熱可塑性ポリマーよりも大幅に低い粘度を有する材料を含有する。溶融金属の低粘度又は半固体金属又は粘性金属の低粘度相は、金属自身及び金属表面に高い親和性を有する傾向にある。低粘度及び高親和性は、空気を変位させ、ポリマー溶融物において一般的であるよりもより均質な材料を生み出す傾向にある。これらの特性によって、圧縮ベースのせん断加熱及び混合の必要性がさらに低くなる。
【００３４】
従来の射出成形装置２４における金属加工のスクリュベースの圧縮には大きな影響を与える不都合点があり、ポリマーのスクリュベースの圧縮に関する要件の大部分は、金属、合金又はそれらの複合材料によっては要求されない。したがって、本発明の１つの目的は、低い、すなわち１：１又は潜在的には１：１未満の圧縮比であるスクリュに関する要件を満たすことである。
【００３５】
従来の射出成形装置２４において金属、合金及びそれらの複合材料を加工する際の別の大きな影響を与える複雑な問題は、たいていの熱可塑性ポリマー（非晶質及び半結晶質）において見られるよりも通常よりはっきりしている粘度遷移又は溶融−固体遷移である。よりはっきりしている固体／溶融遷移に加えて、ポリマーと比べて大幅に増大する熱伝導率の結果として、伝熱駆動力（外部温度の変化）に曝されると粘度がより急速に変化するか又は固化する。さらに、金属の熱容量は通常ポリマーの熱容量よりも低いため、入熱の変化が溶融物の温度により大きい影響を与える。したがって、さらに高い伝導率（通常は２５０倍以上）及びより低い熱容量（通常は２倍乃至４倍）に起因して、差温（伝熱駆動力) の作用は、ポリマーよりも金属により顕著な効果をもたらす。
【００３６】
差温が金属の粘度変化（又は固化）に与える影響の概念は、従来の射出成形装置２４において金属、合金及びそれらの複合材料を加工する際に極めて重要である。プラスチックと金属との密度差、並びに熱伝導率及び熱容量の差を無視することは、（例えばバレル表面の）温度変化が、金属対ポリマーの温度変化又は固化に、１０００倍よりも大きく、又はより迅速な影響を与える可能性があることを示唆している。従来の射出成形装置２４に関する示唆は、往復式スクリュが、溶融物又は溶融物／固体（ペレット）混合物の一部をかなりの外部（バレル）温度差がある領域間を移動させるため重要である。いかなる材料のスライスにとってもショットサイズが大きくなるほど温度変化はより重要になり、スクリュは、その最前方位置と完全に後退した位置との間で移動する。
【００３７】
従来の射出成形機２４におけるバレル２６の温度制御部は通常、３つの区域に分けられる。すなわち、計量区域、遷移区域及び供給区域（又はそれぞれ前部、中間部、後部）である。さらに、通常はノズル３４の温度制御部及び供給口３２の温度制御部があるが、これらは本発明とは関係しない。
【００３８】
各区域全体にわたって温度は均一ではなく（勾配があるが）、説明のために、また制御の観点から、スクリュ１０に沿って均一な温度勾配を形成することは困難である。温度勾配が均一であったとしても本発明の解決策が依然として必要である。バレル２６の各区域において合理的に温度が均一であると仮定すると説明に役立つ。
【００３９】
各区域における典型的な温度差が重要である。前部における温度は、溶融材料を凝固させることなく、金型キャビティ４０を完全に充填するのに粘度を十分に低く保つために十分に高い。供給区域の温度は通常、ペレットを固体に保つほど十分に低い。遷移区域の温度は、計量区域と供給区域との中間であり、材料が溶融及び固化し始めることを可能にする。典型的なポリマー加工の場合、区域の温度には重要な差がある。この差は、高温ポリマーの場合、溶融温度が大幅に高いことを主な理由としてより大きい。区域間の２０℃乃至３０℃（華氏約７０度乃至９０度）の温度差は珍しいものではない。この差によってポリマーの流動性が受ける影響は、金属の流動性が受ける影響よりも少ない。ノズル３４の温度は、溶融物がノズル３４から滲出することを避けるために計量区域の温度よりもわずかに低い場合がある。
【００４０】
金属、合金及びそれらの複合材料の加工において、スクリュ１０が回転して材料Ｋをスクリュ軸の長さに沿って前方へ移動させようとする場合に問題が生じる。この問題は通常、材料Ｋが部分的に溶融していると共に部分的に固体である遷移領域において生じる。材料が溶融している計量セクションではスクリュ１０の回転は問題を引き起こさない。ペレットが固体のままである供給区域でも問題はない（ペレットが互いを排除するための自由な体積が十分にある）。しかしながら、遷移区域では、スクリュ１０は溶融物と固体ペレットとの組合せに作用する。固体の金属ペレットは、強固且つ硬質であるため、バレル２６の壁部へ押し進められ、即座に溶融しない限りスクリュ１０を束縛し、すなわち移動若しくは粉砕させるのに大きな力を必要とする可能性がある。さらに、この領域においては、溶融金属が（金属の転移温度付近で）急速に結晶形成する可能性が最も高く、非常に強固で移動させるのが難しい材料が生成される。これが生じると、成形機２４は材料Ｋを前進させようと苦闘しているように見える（騒音、束縛、高トルク）。
【００４１】
射出成形装置２４において金属を成功裏に加工するためには、この領域からスクリュフライト２２をなくすか又はその数を減らすことが重要である。この領域におけるスクリュフライト２２は、スクリュ軸１４／バレル２６の長さに沿って材料Ｋを前進させるのに重要ではない。この領域からフライト２２をなくすことによって、成形機２４は、バレル２６の壁部付近において固化しているか又は固化しつつある材料のせん断を試みることによって材料の強度を克服しようと苦闘することがなくなる。材料は、供給セクションすなわち後部セクションのフライト２２によって前進される。スクリュ１０の後退はまた、いくらかの材料Ｋをバレル２６の冷セクションに戻し、ここで材料Ｋが急速に結晶化又は固化し始める可能性がある。この領域からスクリュ１０のフライト２２をなくすか又は除外することによって、バレル２６又は他の構成要素を故障させ得る極めて高い局所的な力又は圧力を生じさせる可能性がある、固化しつつあるか又は結晶化しつつある材料Ｋにかかるほとんど全ての機械力を取り除く。
【００４２】
中間部（すなわち遷移）区域１８からスクリュフライト２２をなくすことの重要性は、金属、合金及びそれらの複合材料を従来の射出成形装置２４において加工するときにトルクか低いこと、及び騒音がなくなることによって実証される。射出成形装置２４の設計限界内に十分に入る力及び圧力で装置２４を定常状態運転させることは、従来の射出成形装置２４において金属を加工する際の一連の動作を行う（routine）連続した許容可能な運転にとって重要である。
【００４３】
再び図１を参照すると、好ましい実施形態では、前部（すなわち計量）区域のフライト２２及び中間部（すなわち遷移）区域のフライト２２の全て、並びに後部（すなわち供給）区域のフライト２２の一部が取り除かれている。
【００４４】
図３は、ポリマー加工において温度制御及びショットサイズを維持するのに通常有用である前部（すなわち計量）区域のフライト２２を含む代替的な実施形態１００を示し、これもまた同様に機能する。正しい領域のフライト２２を取り除かない従来の往復式スクリュ射出成形装置２４における金属の一連の動作を行う一貫した加工は、製造の観点からは許容可能なものではない。
【００４５】
したがって、従来のプラスチック用射出成形装置２４を、金属を加工するためのものに転用することは、従来のプラスチック用射出成形スクリュを、本発明のスクリュ１０と交換することによって達成される。さらに、バレル２６の温度並びにスクリュ１０の回転及びプランジャ速度を制御することによって、許容可能な製造速度で金属を加工することができる。
【００４６】
したがって、本発明が、スクリュ軸の中間部分にフライトがない改良形スクリュを提供することによって従来の射出成形装置における金属加工の問題に対する固有の解決策を提供することが分かる。フライトはさらに、スクリュの前部からも取り除くことができる。
【００４７】
本発明の精神から逸脱することなく、説明された実施形態にさまざまな変更及び改良を加えることができることを当業者は理解するであろう。全てのそのような変更及び改良は、添付の特許請求の範囲によって限定される場合を除き本発明の範囲内にあることが意図される。
【図１】
0005671111.tif 000002
【図２】
0005671111.tif 000003
【図３】
0005671111.tif 000004